KR101611707B1 - Silicon single crystal and method for manufacture thereof - Google Patents

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Abstract

CZ법에 의해, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에 바람직하게 이용할 수 있는 저탄소 농도의 실리콘 단결정 및 그 제조 방법을 제공한다. 탄소 농도 1.0×1015 atoms/㎤ 이하의 폴리실리콘을 원료로 하고, 원료 융액(2)에 횡자장을 인가하고, 석영 도가니(3)의 회전수를 5.0 rpm 이하로 하고, 원료 융액 표면으로부터 하기 Y의 20∼50%의 위치에서 하기 식 (1)에 의해 표시되는 유속 A[m/sec]로 불활성 가스를 흘리고,

Figure 112014063681373-pat00003

Q : 불활성 가스의 유량[L/min]
P : 노 내 압력[Torr]
X : 복사 실드의 개구부 직경[mm]
Y : 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리[mm]
α : 보정 계수
결정 고화율 30%의 시점까지는, 유속 A를 0.2∼5000/d[m/sec](d : 결정 직통부 직경[mm])로 하고, 또한, 사이드 히터(4)와 보텀 히터(5)의 합계 파워의 저하율을 3∼30%, 사이드 히터(4)의 파워의 저하율을 5∼45%로 한다. A low-carbon concentration silicon single crystal which can be suitably used for a silicon substrate for a high-voltage IGBT is provided by the CZ method, and a method for producing the same. The transverse magnetic field is applied to the raw material melt 2 with a carbon concentration of 1.0 × 10 15 atoms / cm 3 or less as a raw material, the number of revolutions of the quartz crucible 3 is 5.0 rpm or less, An inert gas is flowed at a flow rate A [m / sec] indicated by the following formula (1) at a position of 20 to 50% of Y,
Figure 112014063681373-pat00003

Q: Flow rate of inert gas [L / min]
P: Pressure in furnace [Torr]
X: Diameter of opening of radiation shield [mm]
Y: distance from the surface of the raw material melt to the bottom of the radiation shield [mm]
α: correction coefficient
The flow rate A is set to 0.2 to 5,000 / d [m / sec] (d: the diameter of the crystal straight section [mm]) and the temperature of the side heater 4 and the bottom heater 5 The lowering rate of the total power is set to 3 to 30%, and the lowering rate of the power of the side heater 4 is set to 5 to 45%.

Description

실리콘 단결정 및 그 제조 방법{SILICON SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a silicon single crystal and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은, 고내압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)용 실리콘 기판에 적합한 쵸크랄스키(Czochralski; 이하, CZ로 약칭)법에 의해 제조되는 저탄소 농도의 실리콘 단결정 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a silicon single crystal having a low carbon concentration produced by a Czochralski (hereinafter abbreviated as CZ) method suitable for a silicon substrate for an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) for high withstand voltage and a manufacturing method thereof.

일반적으로 1 kV 이상의 고내압용 IGBT용 실리콘 기판으로는, 산소 석출핵 등의 캐리어의 재결합 중심이 되는 결정 결함이 적고, 캐리어의 라이프타임이 긴 것이 요구되고 있다. Generally, silicon substrates for IGBTs with a high breakdown voltage of 1 kV or more are required to have fewer crystal defects serving as centers of recombination of carriers such as oxygen precipitation nuclei and have a long carrier lifetime.

실리콘 단결정 중에서의 산소 석출핵의 형성은 주로 탄소 불순물에서 기인하고, 형성된 산소 석출핵의 성장은 결정 중의 산소 농도의 영향을 받는다. The formation of oxygen precipitation nuclei in the silicon single crystal is mainly caused by carbon impurities, and the growth of the oxygen precipitation nuclei formed is influenced by the oxygen concentration in the crystal.

실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에는, CZ법과 FZ(Floating Zone)법이 있으며, FZ법에 의해 제조된 실리콘 단결정(이하, FZ 실리콘 결정으로 약칭)은 산소 농도가 매우 낮아, 산소 석출핵이 성장하기 어렵기 때문에, IGBT용 실리콘 기판에는, 종래 FZ 실리콘 결정이 이용되었다. The silicon single crystal ingot is produced by the CZ method and the FZ (Floating Zone) method, and the silicon single crystal produced by the FZ method (hereinafter abbreviated as FZ silicon crystal) has a very low oxygen concentration and hardly grows oxygen precipitation nuclei , Conventional FZ silicon crystals are used for the IGBT silicon substrate.

한편, CZ법에서는, 원료를 석영 도가니에 충전하기 때문에, 석영 도가니로부터의 산소의 혼입이 매우 많아 FZ 실리콘 결정과 동등 레벨까지 산소 농도를 저감시키는 것은 어렵고, 캐리어의 재결합 중심이 되는 산소 석출핵의 성장이 촉진되기 쉬워 캐리어의 라이프타임이 짧기 때문에, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에는 부적합했다. On the other hand, in the CZ method, since the raw material is filled in the quartz crucible, it is difficult to reduce the oxygen concentration to the level equivalent to that of the FZ silicon crystal because the incorporation of oxygen from the quartz crucible is very large. The lifetime of the carrier is short because the growth is easily promoted, and therefore it is not suitable for a silicon substrate for IGBT for high breakdown voltage.

그러나, FZ 실리콘 결정은 기술적으로 대구경화가 어렵기 때문에, 양산성이나 비용면에서의 과제가 있어, 금후의 파워 디바이스 시장의 급속한 성장에 대한 대응이 어렵다. However, since the FZ silicon crystal is difficult to be thickened technically, it is difficult to cope with the rapid growth of the power device market in the future due to problems in mass productivity and cost.

그래서, 최근 양산성이 우수한 CZ법에 의해 제조된 실리콘 단결정(이하, CZ 실리콘 결정으로 약칭)을 고내압용 IGBT용 실리콘 기판으로서 이용하는 것이 검토되고 있다. Therefore, it has been studied to use a silicon single crystal (hereinafter, abbreviated as CZ silicon crystal) manufactured by the CZ method, which is superior in mass productivity recently, as a silicon substrate for an IGBT for high breakdown voltage.

전술한 바와 같이, CZ 실리콘 결정은 산소 농도의 저감에는 한계가 있기 때문에, IGBT용으로 하기 위해서는, 결정 중의 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로까지 저감하여, 산소 석출핵의 형성 자체를 억제하는 것이 요구된다. 결정 중의 탄소 농도는 원료의 탄소 농도를 저감함으로써 저감될 수 있다고 생각된다. As described above, since the CZ silicon crystal has a limitation in reducing the oxygen concentration, it is necessary to reduce the carbon concentration in the crystal to 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less to form the oxide precipitation nuclei itself . It is considered that the carbon concentration in the crystal can be reduced by reducing the carbon concentration of the raw material.

그러나, 편석의 영향에 의해, 실리콘 단결정의 인상이 진행됨에 따라 탄소 농도가 증가하여, 결정 전체 길이에서 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 억제하는 것은 어렵다. 예컨대, 원료로 탄소 농도가 5.0×1014 atoms/㎤로 저농도인 폴리실리콘을 이용한 경우, 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 5%인 직통부 인상 개시 시점의 탄소 농도는 편석의 영향에 의해(탄소의 평형 편석 계수 0.07) 3.5×1013 atoms/㎤ 정도이며, 고화율 90%의 직통부 인상 종료 시점의 탄소 농도는 3.0×1014 atoms/㎤이 된다. However, due to the segregation effect, the carbon concentration increases with the pulling up of the silicon single crystal, and it is difficult to suppress the carbon concentration to 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less at the entire crystal length. For example, in the case of using polysilicon having a low concentration of 5.0 × 10 14 atoms / cm 3 as a raw material, the carbon concentration at the start of pulling of the straight portion with a solidification rate of 5% (Equilibrium segregation coefficient of carbon of 0.07) of about 3.5 x 10 < 13 > atoms / cm < 3 >, and the carbon concentration at the end of the straight portion pulling up at a solidification rate of 90% is 3.0 x 10 14 atoms / cm3.

따라서, 결정 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 하기 위해서는, 원료 중의 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤보다 낮은 것이 바람직하지만, 이러한 폴리실리콘 원료를 얻기 위해서는 비용이 많이 든다. Therefore, it is preferable that the carbon concentration in the raw material is lower than 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 in order to set the carbon concentration to 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 or less over the entire length of the crystal. In order to obtain such a polysilicon raw material, I will.

또한, 결정 중의 탄소 농도는 노(爐) 내의 히터, 흑연 도가니, 단열재 등의 고온 탄소 부재로부터 원료 융액 중에 혼입되는 CO의 오염 속도(혼입량)와 원료 융액으로부터의 CO의 증발 속도(증발량)를 제어함으로써 저감할 수 있는 것이 알려져 있다. 또, 상기 고온 탄소 부재로부터의 CO의 발생은, 원료 융액으로부터 증발하는 SiO의 SiO(gas)+2C(solid)→CO(gas)+SiC(solid)의 반응에 의한 것이다. The carbon concentration in the crystal is controlled by controlling the contamination rate (mixing amount) of CO mixed in the raw material melt and the evaporation rate (evaporation amount) of CO from the raw material melt from the hot carbon member such as a heater in a furnace, a graphite crucible, It is known that it can be reduced. The generation of CO from the high temperature carbon member is caused by the reaction of SiO 2 gas → 2C (solid) → CO (gas) + SiC (solid), which evaporates from the raw material melt.

이 때문에, 저탄소 농도의 CZ 실리콘 결정을 제조하는 방법으로서, 예컨대 일본 특허 공개 평7-89789호 공보(특허문헌 1)에는, 고온 탄소 부재로부터의 CO의 발생량을 저감하기 위해, 히터나 흑연 도가니 등의 탄소 부재 표면에 SiC 등의 코팅을 실시하는 방법이 개시되어 있다. For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-89789 (Patent Document 1) discloses a method for producing CZ silicon crystals with low carbon concentration, for example, in order to reduce the amount of CO generated from the high temperature carbon member, A method of coating a surface of a carbon member made of SiC or the like is disclosed.

또한, 일본 특허 공개 평5-339093호 공보(특허문헌 2)에는, 결정 성장 개시전에, 실리콘 융액을 SiO2의 존재하에 실리콘의 융점보다 높은 온도로 승온시켜 30분 이상 유지함으로써, CO를 융액 중으로부터 증발시키는 공정(탈탄 공정)을 실시하는 방법이 개시되어 있다. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-339093 (Patent Document 2) discloses a method in which a silicon melt is heated to a temperature higher than the melting point of silicon in the presence of SiO 2 and held for at least 30 minutes before the start of crystal growth, (Decarburization step) is carried out.

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 방법은, 고온 탄소 부재에 대한 SiC 등의 코팅이 매우 고비용이다. 또한, 도가니 주위의 사이드 히터는 매우 고온이 되기 때문에, 수회 정도의 인상으로 코팅된 SiC가 박리될 우려가 있어, 양산에는 부적합하다. However, in the method described in Patent Document 1, the coating of SiC or the like on the high-temperature carbon member is very expensive. In addition, since the side heater around the crucible becomes extremely hot, the SiC coated with the impression of several times may be peeled off, which is unsuitable for mass production.

또한, 이 방법에서는, 결정의 고화율 55% 이상에서 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이상이 되어, 고내압용 IGBT용으로서 사용할 수 있는 결정의 수율이 나쁘다. 또한, 산소 농도가 1.3×1018 atoms/㎤ 이상이면, 산소 석출핵이 성장하기 때문에, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에는 적합하지 않다. Further, in this method, the carbon concentration becomes 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 or more at a crystal solidification rate of 55% or more, and the yield of crystals usable for the high-voltage IGBT is poor. When the oxygen concentration is 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 or more, oxygen precipitation nuclei are grown, which is not suitable for a silicon substrate for IGBT for high voltage resistance.

한편, 상기 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 방법에서는, 실리콘 융액을 승온시켜 고온으로 유지하기 위해 히터 파워를 증가시킬 필요가 있고, 이에 따라, 실리콘 융액으로부터의 CO의 증발 속도보다, 실리콘 융액에 CO가 혼입되는 오염 속도가 우세해져, 인상되는 결정 중의 탄소 농도는 오히려 증가한다고 생각된다. On the other hand, in the method described in Patent Document 2, it is necessary to increase the heater power in order to raise the temperature of the silicon melt to keep it at a high temperature. Accordingly, CO is lower than the evaporation rate of CO from the silicon melt It is believed that the contamination rate to be incorporated becomes dominant and the carbon concentration in the crystal pulled up is rather increased.

또한, 실리콘 융액으로부터의 CO의 증발 속도는, 실리콘 융액으로부터의 SiO의 증발 속도와 비교해서 매우 작기 때문에, 실리콘 융액에서의 CO의 증발 속도가 오염 속도보다 우세해졌다 하더라도, 결정 중의 탄소 농도를 1×1014 atoms/㎤ 이하로까지 저하시키기 위해서는 탈탄 공정을 매우 장시간 행할 필요가 있어, 생산성의 저하를 초래한다. Further, since the evaporation rate of CO from the silicon melt is very small as compared with the evaporation rate of SiO from the silicon melt, even if the evaporation rate of CO in the silicon melt becomes higher than the contamination rate, It is necessary to perform the decarburization process for a very long time in order to lower the temperature to 10 < 14 > atoms / cm < 3 >

본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, CZ법에 의해, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에 바람직하게 이용할 수 있는 저탄소 농도의 실리콘 단결정 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above technical problems, and an object of the present invention is to provide a silicon single crystal having a low carbon concentration which can be suitably used for a silicon substrate for a high voltage resistant IGBT by the CZ method and a manufacturing method thereof.

본 발명에 따른 실리콘 단결정의 제조 방법은, 초크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 인상에 있어서, 탄소 농도가 1.0×1015 atoms/㎤ 이하인 폴리실리콘을 원료로 하고, 원료 융액에 횡자장을 인가하고, 상기 원료 융액이 충전된 석영 도가니의 회전수를 5.0 rpm 이하로 하고, 상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y의 20∼50%의 범위 내의 위치에서 하기 식 (1)에 의해 표시되는 유속 A[m/sec]로 불활성 가스를 흘리고, A method for producing a silicon single crystal according to the present invention is a method for producing a silicon single crystal by using a polysilicon having a carbon concentration of 1.0 x 10 15 atoms / cm 3 or less as a raw material and applying a transverse magnetic field to the raw material melt in the pulling of silicon single crystal by the Czochralski method, (1) at a position within a range of 20 to 50% of the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiating shield while the number of revolutions of the quartz crucible filled with the raw material melt is 5.0 rpm or less, An inert gas is flowed at A [m / sec]

[식 1] [Formula 1]

Figure 112014063681373-pat00001
Figure 112014063681373-pat00001

Q : 불활성 가스의 유량[L/min] Q: Flow rate of inert gas [L / min]

P : 노 내 압력[Torr] P: Pressure in furnace [Torr]

X : 복사 실드의 개구부 직경[mm] X: Diameter of opening of radiation shield [mm]

Y : 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리[mm]Y: distance from the surface of the raw material melt to the bottom of the radiation shield [mm]

α : 보정 계수 α: correction coefficient

인상된 결정의 직통부 직경을 d[mm]로 했을 때, 적어도 상기 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지는, 유속 A를 0.2∼5000/d[m/sec]의 범위 내로 하고, 또한, 종결정과 상기 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 3∼30%의 범위 내, 사이드 히터의 파워의 저하율을 5∼45%의 범위 내로 하는 것을 특징으로 한다. The flow velocity A is 0.2 to 5000 / d [m / sec] from the time when the solidification rate of the pulled-up crystal is 30% , And the rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater from the point of time when the solidification rate of the crystal pulled up from the contact between the seed crystal and the raw material melt becomes 30% , And the rate of decrease of the power of the side heater is set within a range of 5 to 45%.

이러한 조건하에서 결정을 인상함으로써, 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 저농도인 CZ 실리콘 결정을 저비용으로 간편하고 생산성 좋게 제조할 수 있다. By pulling the crystal under such a condition, CZ silicon crystals having a low concentration of 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less in carbon concentration over the entire length of the straight portion can be manufactured at low cost with good productivity.

상기 실리콘 단결정의 제조 방법에서는, 상기 불활성 가스의 유량 Q가 50∼200 L/min, 상기 노 내 압력 P가 5∼100 Torr, 상기 복사 실드의 개구부 직경 X가 d+20∼d+50[mm], 상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y가 10∼40 mm인 것이 바람직하다. Wherein the flow rate Q of the inert gas is 50 to 200 L / min, the pressure P in the furnace is 5 to 100 Torr, the diameter X of the opening of the radiation shield is d + 20 to d + 50 mm ], And the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield is preferably 10 to 40 mm.

이러한 조건으로 함으로써, 원료 융액에서의 CO의 증발 속도가 오염 속도보다 더욱 우세해지기 쉽고, 또한, 무전위 결정을 보다 생산성 좋게 육성할 수 있다. With such a condition, the evaporation rate of CO in the raw material melt tends to be higher than that of the contamination rate, and the non-transferred crystal can be grown more efficiently.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 단결정은, 상기 제조 방법에 의해 얻어진 실리콘 단결정으로서, 적어도 인상된 결정의 고화율이 90%까지의 결정 직통부에서의 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하이고, 또한, 상기 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 매우 작은 것을 특징으로 한다. Further, the silicon single crystal according to the present invention is a silicon single crystal obtained by the above-described production method, wherein the carbon concentration in the crystal straight portion at least up to 90% of the crystal of the pulled-up crystal is 1.0 x 10 14 atoms / Further, the carbon concentration distribution with respect to the solidification ratio is very small.

이러한 실리콘 단결정은, 캐리어의 재결합 중심이 되는 산소 석출핵이 저감되고, 상기 산소 석출핵의 성장도 억제되기 때문에, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에 바람직하게 적용할 수 있다. Such a silicon single crystal can be suitably applied to a silicon substrate for a high-voltage-resistant IGBT, because oxygen precipitation nuclei serving as recombination centers of carriers are reduced and the growth of the oxygen precipitation nuclei is also suppressed.

상기 실리콘 단결정의 산소 농도는 1.0×1018 atoms/㎤ 이하인 것이 바람직하다. The oxygen concentration of the silicon single crystal is preferably 1.0 x 10 18 atoms / cm 3 or less.

IGBT용 실리콘 기판에 적용하기 위해서는, 실리콘 단결정의 산소 농도는 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. In order to be applied to a silicon substrate for an IGBT, the oxygen concentration of the silicon single crystal is preferably as low as possible.

또한, 상기 실리콘 단결정은, 상기 고화율이 30%가 되는 시점까지, 상기 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 매우 작은 것이 바람직하다. It is preferable that the silicon single crystal has a very small carbon concentration distribution with respect to the solidification rate until the solidification rate reaches 30%.

이러한 실리콘 단결정은 결정의 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도가 더욱 저감되게 된다. In such a silicon single crystal, the carbon concentration is further reduced over the entire length of the straight portion of the crystal.

상기 탄소 농도는 광발광(photoluminescence, PL)법에 의해 정량된 것인 것이 바람직하다. It is preferable that the carbon concentration is determined by photoluminescence (PL).

PL법에 의하면, 1.0×1014 atoms/㎤ 이하의 저탄소 농도에서도 정밀하게 정량하는 것이 가능하다. According to the PL method, it is possible to accurately quantify even at a low carbon concentration of 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less.

본 발명에 의하면, CZ법에 의해, 원료 용융시 및 결정 육성중에 원료 융액에서의 CO의 증발량을 혼입량보다 우세하게 할 수 있어, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도 1.0×1014 atoms/㎤ 이하인 실리콘 단결정을 저비용으로 생산성 좋게 얻을 수 있는 제조 방법을 제공할 수 있다. According to the present invention, by the CZ method, the evaporation amount of CO in the raw material melt during the melting of the raw material and the crystal growing can be made higher than the mixing amount, and the carbon concentration can be controlled to be 1.0 x 10 14 atoms / It is possible to provide a manufacturing method capable of obtaining a silicon single crystal at low cost and good productivity.

또한, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 얻어진 실리콘 단결정은, 상기와 같이 저탄소 농도이므로, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에 바람직하게 적용할 수 있다. Further, since the silicon single crystal obtained by the manufacturing method according to the present invention has a low carbon concentration as described above, it can be preferably applied to a silicon substrate for IGBT for high voltage resistance.

도 1은 CZ법에 의한 단결정 인상 장치의 일례의 개략 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 결정의 고화율과 탄소 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 2에 따른 결정의 고화율과 탄소 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1 및 2에 따른 결정의 고화율과 산소 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 1에 따른 결정의 고화율과 탄소 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 3에 따른 결정의 고화율과 탄소 농도의 관계를 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic sectional view of an example of a single crystal pulling device by the CZ method.
Fig. 2 is a graph showing the relationship between the solidification ratio and the carbon concentration of the crystal according to Example 1. Fig.
3 is a graph showing the relationship between the solidification ratio and the carbon concentration of the crystal according to Example 2. FIG.
4 is a graph showing the relationship between the solidification ratio of crystals and the oxygen concentration according to Examples 1 and 2. FIG.
5 is a graph showing the relationship between the solidification ratio of the crystal according to Comparative Example 1 and the carbon concentration.
6 is a graph showing the relationship between the solidification ratio of the crystal and the carbon concentration according to Comparative Example 3. Fig.

이하, 본 발명에 관해서, 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1에, 본 발명에 따른 제조 방법에 적용되는 CZ법에 의한 단결정 인상 장치의 일례의 개략을 나타낸다. 도 1에 나타내는 인상 장치는 일반적인 구조이며, 노(1) 내 중앙에는 원료 융액(2)이 충전된 석영 도가니(3)가 회전 가능하게 설치되고, 그 주위에는, 그 도가니(3)를 측둘레로부터 가열하기 위한 사이드 히터(4) 및 바닥부로부터 가열하기 위한 보텀 히터(5)가 설치되어 있다. 또한, 도가니의 상측에는, 석영 도가니(3) 내의 원료 융액면이나 인상되는 결정의 온도 제어 등을 위한 복사 실드(6)가 설치되어 있다. 불순물의 혼입 방지 등을 위해, 노(1) 내부는 불활성 가스 분위기로 한다. Fig. 1 schematically shows an example of a single crystal pulling device by the CZ method applied to the manufacturing method according to the present invention. A pulling apparatus shown in Fig. 1 has a general structure. A quartz crucible 3 filled with a raw material melt 2 is rotatably installed in the center of the furnace 1, and around the crucible 3, And a bottom heater 5 for heating from the bottom portion. Further, on the upper side of the crucible, a radiation shield 6 for controlling the temperature of the raw material melt in the quartz crucible 3 and the temperature of the pulled-up crystal is provided. In order to prevent mixing of impurities, the inside of the furnace 1 is set to an inert gas atmosphere.

그리고, 석영 도가니(3) 내의 원료 융액(2)의 액면에 와이어(7)의 하단에 유지된 종결정(8)을 착액시키고, 석영 도가니(3) 및 종결정(8)을 각각 회전시키면서 와이어(7)를 인상해 가는 것에 의해 결정(9)을 육성한다. The seed crystal 8 held at the lower end of the wire 7 is immersed in the liquid surface of the raw material melt 2 in the quartz crucible 3 and the quartz crucible 3 and the seed crystal 8 are rotated, The crystal 9 is raised by raising the crystal 7.

또, 본 발명에서는, 인상되는 결정(9)은 직통부 직경 d가 150∼450 mm인 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the diameter d of the straight portion of the crystals 9 to be pulled is 150 to 450 mm.

본 발명에 따른 실리콘 단결정의 제조 방법은, 상기와 같은 CZ법에 의한 실리콘 단결정을 인상하는 방법에 관한 것이다. 그 인상 조건으로서, 탄소 농도가 1.0×1015 atoms/㎤ 이하인 폴리실리콘을 원료로 하고, 원료 융액에 횡자장을 인가하고, 상기 원료 융액이 충전된 석영 도가니의 회전수를 5.0 rpm 이하로 하고, 상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y의 20∼50%의 범위 내의 위치에서의 불활성 가스의 유속 A를 정해진 범위 내에서 상기 식 (1)로 표시된 바와 같이 설정하고, 또한, 사이드 히터 및 보텀 히터의 파워를 정해진 비율로 저하시키는 것을 특징으로 한다.A method for manufacturing a silicon single crystal according to the present invention relates to a method for pulling up a silicon single crystal by the CZ method as described above. As a pulling condition, a polysilicon having a carbon concentration of 1.0 x 10 15 atoms / cm 3 or less is used as a raw material, a transverse magnetic field is applied to the raw material melt, the number of revolutions of the quartz crucible filled with the raw material melt is set to 5.0 rpm or less, The flow rate A of the inert gas at a position within a range of 20 to 50% of the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield is set within a predetermined range as shown by the above formula (1) The power of the bottom heater is lowered at a predetermined rate.

이러한 제조 방법에 의하면, 단결정 인상 장치의 노 내의 고온 탄소 부재의 코팅 등의 비용이 필요한 설비 개량을 하지 않고, 또한, 원료 용융시 및 결정 인상중에 원료 융액으로부터 CO의 증발이 재촉됨으로써, 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 저농도인 CZ 실리콘 결정을 저비용으로 간편하고 생산성 좋게 제조할 수 있다. According to this manufacturing method, the equipment required for the cost of coating the high-temperature carbon material in the furnace of the single crystal pulling apparatus is not improved, and evaporation of CO from the raw material melt is accelerated during melting of the raw material and crystal pulling, CZ silicon crystals having a low concentration of 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less in carbon concentration over a long period of time can be produced easily at low cost and good productivity.

본 발명에 따른 제조 방법에서는, 상기 원료 융액 표면 상측에서의 불활성 가스의 유속 A는, 불활성 가스의 유량 Q, 노 내 압력 P, 복사 실드의 개구부 직경 X, 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y, 및 보정 계수 α에 의해, 상기 식 (1)로 표시된다. 또, 보정 계수 α는 온도나 노 내 구조의 영향을 보정하기 위한 계수이다. In the manufacturing method according to the present invention, the flow rate A of the inert gas above the surface of the raw material melt is determined by the flow rate Q of the inert gas, the pressure P in the furnace, the diameter X of the opening of the radiation shield, Y, and the correction coefficient alpha, as shown in the above equation (1). The correction coefficient? Is a coefficient for correcting the influence of the temperature and the structure in the furnace.

그리고, 적어도 상기 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지는, 상기 유속 A를 0.2∼5000/d[m/sec](d : 결정의 직통부 직경[mm])의 범위 내가 되도록, 불활성 가스의 유량 Q, 노 내 압력 P, 복사 실드의 개구부 직경 X, 및 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y를 제어한다. The flow rate A is set to 0.2 to 5000 / d [m / sec] (d: diameter of the straight portion of the crystal [mm]) to the point of time when the solidification rate of the crystal pulled up from the start of melting the raw material becomes 30% The flow rate Q of the inert gas, the pressure P in the furnace, the diameter X of the opening of the radiation shield, and the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield are controlled.

노 내의 불활성 가스의 유속을 이와 같이 제어함으로써, 히터나 흑연 도가니, 단열재 등의 노 내의 고온 탄소 부재로부터 발생하여 확산되는 CO가 원료 융액에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. By controlling the flow rate of the inert gas in the furnace in this manner, it is possible to prevent CO, which is generated and diffused from the hot carbon member in the furnace, such as the heater, the graphite crucible, and the heat insulating material, from being mixed into the raw material melt.

또, 불활성 가스로는, 헬륨, 아르곤 등을 들 수 있지만, 통상 아르곤이 이용된다. As the inert gas, helium, argon and the like can be mentioned, but argon is usually used.

상기 불활성 가스의 유속 A는, 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y의 20∼50%의 범위 내의 위치에서의 가스의 유속으로 하며, 특히, 복사 실드 하단의 바로 아래에서의 유속인 것이 바람직하다. The flow rate A of the inert gas is a flow rate of the gas at a position within a range of 20 to 50% of the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield. Particularly, the flow rate is preferably right under the radiation shield bottom Do.

이러한 위치에서의 유속을 상기와 같이 제어함으로써, 고온 탄소 부재로부터 확산되는 CO가 원료 융액에 혼입되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있고, 또한, 융액으로부터 증발하는 CO를 신속하게 배출할 수 있기 때문에, 증발 속도를 오염 속도보다 우세하게 할 수 있다. By controlling the flow rate at such a position as described above, it is possible to more effectively prevent the CO diffused from the hot carbon member from being mixed into the raw material melt, and furthermore, since CO evaporating from the melt can be quickly discharged, The speed can be made higher than the contamination rate.

상기 유속 A를 규정하는 위치가 원료 융액 표면으로부터 Y의 20% 미만 또는 50% 초과이면, 융액으로부터 증발하는 CO의 배출 효율이 저하되기 때문에, CO의 오염 속도(혼입량)나 증발 속도(증발량)를 제어하는 것이 어려워진다. If the position defining the flow velocity A is less than 20% or more than 50% of Y from the surface of the raw material melt, the emission efficiency of CO evaporating from the melt is lowered. Therefore, the contamination rate (mixing amount) or the evaporation rate It becomes difficult to control.

상기 유속 A가 0.2 m/sec 미만인 경우, 원료 융액에서의 CO의 오염 속도(혼입량)가 증발 속도(증발량)보다 우세해지기 때문에, 탄소 농도가 증가한다. 한편, 5000/d[m/sec] 초과인 경우는, 원료 융액 바로 위에서의 불활성 가스의 유속이 지나치게 커, 진동 등의 인상되는 결정에 미치는 영향이 커져, 무전위 결정의 육성이 어려워진다. If the flow velocity A is less than 0.2 m / sec, the contamination rate (mixing amount) of CO in the raw material melt becomes higher than the evaporation rate (evaporation amount), so the carbon concentration increases. On the other hand, in the case of more than 5000 / d [m / sec], the flow rate of the inert gas immediately above the raw material melt is excessively large, the influence on the crystal raised by vibration or the like becomes large, and the growth of the non-transition crystal becomes difficult.

상기 불활성 가스의 유량 Q는 50∼200 L/min인 것이 바람직하다. The flow rate Q of the inert gas is preferably 50 to 200 L / min.

50 L/min 미만인 경우는, 고온 탄소 부재로부터 발생하는 CO가 원료 융액 표면으로 많이 확산되어, 원료 융액에서의 CO의 오염 속도가 증발 속도보다 항상 우세해지기 쉽다. 한편, 200 L/min 초과인 경우는, 결정의 제조 비용이 증대되고, 또한, 결정 육성중의 액면 진동이나 결정의 요동이 커져, 무전위 상태에서의 결정 육성이 어려워질 우려가 있다. In the case of less than 50 L / min, the CO generated from the high-temperature carbon member is diffused to the surface of the raw material melt so that the contamination rate of CO in the raw material melt tends to be always higher than the evaporation rate. On the other hand, in the case of more than 200 L / min, the manufacturing cost of crystals increases, and the liquid surface vibrations and crystal fluctuations during crystal growth are increased, and crystal growth in the non-electric potential state may become difficult.

상기 노 내 압력 P는 5∼100 Torr인 것이 바람직하다. The pressure P in the furnace is preferably 5 to 100 Torr.

5 Torr 미만인 경우는, 원료 융액 바로 위의 가스 유속이 커져, 액면 진동이나 결정의 요동이 커지기 때문에, 무전위 상태에서의 결정 육성이 어려워질 우려가 있다. 한편, 100 Torr 초과인 경우는, CO가 원료 융액 표면으로 많이 확산되어, 원료 융액에서의 CO의 오염 속도가 증발 속도보다 우세해지기 쉽다. If it is less than 5 Torr, the gas flow velocity immediately above the raw material melt becomes large, and the liquid surface vibration and fluctuation of the crystal become large, so that crystal growth in the non-electric potential state may become difficult. On the other hand, in the case of more than 100 Torr, the CO is diffused to the surface of the raw material melt so that the contamination rate of CO in the raw material melt tends to become higher than the evaporation rate.

상기 복사 실드의 개구부 직경 X는, d+20∼d+50[mm]인 것이 바람직하다. It is preferable that the diameter X of the opening of the radiation shield is d + 20 to d + 50 [mm].

d+20[mm] 미만인 경우는, 결정 표면과 복사 실드의 간극을 통과하는 가스 유속이 커져, 육성시에 결정의 요동이 생겨, 복사 실드와 결정이 접촉할 우려가 있다. 한편, d+50[mm] 초과인 경우는, 결정 육성시의 열환경이 불안정해져, 무전위 상태에서의 결정 육성이 어려워질 우려가 있다. d + 20 [mm], the gas flow velocity passing through the gap between the crystal surface and the radiation shield becomes large, and crystal oscillation occurs during the growing, and there is a fear that the radiation shield and the crystal are in contact with each other. On the other hand, when d + 50 [mm] is exceeded, the thermal environment at the time of crystal growth is unstable, and crystal growth in a non-electrified state may be difficult.

상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y는 10∼40 mm인 것이 바람직하다. The distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield is preferably 10 to 40 mm.

10 mm 미만인 경우는, 원료 융액 바로 위의 가스 유속이 커져, 액면 진동이나 결정의 요동이 커지기 때문에, 무전위 상태에서의 결정 육성이 어려워질 우려가 있다. 한편, 40 mm 초과인 경우는, 원료 융액 바로 위의 가스 유속이 작아지기 때문에, CO가 원료 융액 표면으로 많이 확산되어, 원료 융액에서의 CO의 오염 속도가 증발 속도보다 우세해지기 쉽다. If it is less than 10 mm, the gas flow velocity immediately above the raw material melt becomes large, and vibration of the liquid surface and fluctuation of crystals become large, so crystal growth in the non-electric potential state may be difficult. On the other hand, in the case of more than 40 mm, since the gas flow rate just above the raw material melt becomes small, the CO is diffused to the surface of the raw material melt so that the contamination rate of CO in the raw material melt tends to become higher than the evaporation rate.

본 발명에 따른 제조 방법에서는, 또한 히터 가열을 제어한다. 구체적으로는, 종결정과 상기 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 3∼30%의 범위 내, 사이드 히터의 파워의 저하율을 5∼45%의 범위 내로 한다. In the manufacturing method according to the present invention, the heater heating is also controlled. Specifically, the rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater from the time of contact of the seed crystal and the raw material melt to the time when the crystal rate of the pulled-up crystal becomes 30% is within a range of 3 to 30% Is set within the range of 5 to 45%.

노 내 및 원료 융액을 가열하는 히터 파워를 이와 같이 제어함으로써, 결정 육성중에 원료 융액에서의 CO의 증발 속도를 오염 속도보다 우세하게 할 수 있고, 융액에 CO가 혼입되는 것이 억제되기 때문에, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 할 수 있다. By controlling the heater power for heating the furnace and the raw material melt in this way, the evaporation rate of CO in the raw material melt can be made higher than the contamination rate during crystal growth, and the incorporation of CO into the melt can be suppressed, The carbon concentration can be made to be 1.0 x 10 < 14 > atoms / cm < 3 >

사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율이 3% 미만 또는 사이드 히터의 파워의 저하율이 5% 미만인 경우는, 원료 융액에 대한 CO에 의한 오염 속도(혼입량)가 저하되지 않고, 원료 융액에서의 CO의 증발 속도(증발량)가 오염 속도(혼입량)보다 우세해지지 않는다. 한편, 상기 합계 파워의 저하율이 30% 초과 또는 사이드 히터의 파워의 저하율이 45% 초과인 경우는, 원료 융액의 온도가 지나치게 저하되고, 결정 변형 등이 생겨, 무전위 결정의 육성이 어려워진다. When the rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater is less than 3% or the rate of decrease of the power of the side heater is less than 5%, the CO contamination rate (mixing amount) The evaporation rate (evaporation amount) of the impurities does not become higher than the contamination rate (mixing amount). On the other hand, when the rate of decrease of the total power is more than 30% or the rate of decrease of the power of the side heater is more than 45%, the temperature of the raw material melt is excessively lowered and crystals are deformed.

전술한 불활성 가스의 유속 A의 제어 및 히터 파워의 제어는 적어도 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지 행한다. The control of the flow rate A of the inert gas and the control of the heater power are performed at least until the time when the solidification rate of the pulled-up crystal becomes 30%.

결정의 고화율이 30% 미만인 시점에서, 전술한 바와 같은 불활성 가스의 유속 A의 제어 및 히터 파워의 제어를 종료한 경우, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 저감하는 것은 어렵다. When the control of the flow rate A of the inert gas and the control of the heater power are ended at the time when the crystal solidification rate is less than 30%, the carbon concentration is set to 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less .

또한, 원료의 폴리실리콘의 탄소 농도는 1.0×1015 atoms/㎤ 이하로 한다. The carbon concentration of the polysilicon as the starting material is set to 1.0 x 10 15 atoms / cm 3 or less.

이러한 원료를 이용함으로써, 원료 용융시 및 결정 육성시에 있어서 CO의 증발이 우세해져, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로 할 수 있다. By using such a raw material, evaporation of CO becomes dominant at the time of melting the raw material and during crystal growth, and the carbon concentration can be set to 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 or less over the entire length of the crystal straight portion.

원료 폴리실리콘의 탄소 농도가 1.0×1015 atoms/㎤ 초과인 경우는, 원료 융액에서의 CO의 증발 속도가 오염 속도보다 우세하다 하더라도, CO의 증발 속도는 SiO의 증발 속도와 비교하여 매우 작기 때문에, 원료 융액의 탄소 농도를 1.0×1014 atoms/㎤ 이하로까지 저감시키기 위해서는 매우 장시간이 필요하여 생산성이 저하된다. When the carbon concentration of the raw material polysilicon exceeds 1.0 x 10 15 atoms / cm 3, even if the evaporation rate of CO in the raw material melt is higher than the contamination rate, the evaporation rate of CO is very small as compared with the evaporation rate of SiO 2 , It takes a very long time to reduce the carbon concentration of the raw material melt to 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less, and the productivity is lowered.

상기 원료 융액에는 횡자장을 인가한다. A transverse magnetic field is applied to the raw material melt.

자장에 의해 원료 융액의 대류가 억제되기 때문에, 석영 도가니로부터의 산소의 용출이 억제되고, 결정 중의 산소 농도를 저감시켜, 1.0×1018 atoms/㎤ 이하로 할 수 있다. Since the convection of the raw material melt is suppressed by the magnetic field, the elution of oxygen from the quartz crucible is suppressed, and the oxygen concentration in the crystal is reduced to 1.0 x 10 18 atoms / cm 3 or less.

또한, 상기 원료 융액이 충전된 석영 도가니의 회전수를 5.0 rpm 이하로 한다. The number of revolutions of the quartz crucible filled with the raw material melt is set to 5.0 rpm or less.

석영 도가니의 회전수가 5.0 rpm 초과인 경우는, 석영 도가니로부터의 산소의 용출이 많아져, 산소 농도가 1.0×1018 atoms/㎤ 이하인 결정을 얻는 것이 어려워진다. When the number of revolutions of the quartz crucible exceeds 5.0 rpm, the elution of oxygen from the quartz crucible increases, and it becomes difficult to obtain a crystal having an oxygen concentration of 1.0 x 10 18 atoms / cm 3 or less.

상기와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은, 저비용으로 생산성 좋게, 원료 용융시 및 결정 육성중에 융액에서의 CO의 증발량을 혼입량보다 우세하게 할 수 있고, 이에 따라, 결정의 고화율 90%까지의 직통부 전체 길이에 걸쳐, 탄소 농도 1.0×1014 atoms/㎤ 이하이고, 또한, 인상된 결정의 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 매우 작으며, 또한, 산소 농도 1.0×1018 atoms/㎤ 이하인 CZ 실리콘 단결정을 제공할 수 있다. As described above, the production method according to the present invention makes it possible to make the evaporation amount of CO in the melt to be higher than the mixing amount during the melting of the raw material and during the crystal growing, at a low cost, The carbon concentration is 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less, the carbon concentration distribution with respect to the solidification rate of the pulled-up crystal is very small, and the CZ with an oxygen concentration of 1.0 x 10 18 atoms / Silicon single crystal can be provided.

이러한 실리콘 단결정은, 캐리어의 재결합 중심이 되는 산소 석출핵을 저감할 수 있고, 그 후의 핵의 성장도 억제할 수 있는 것으로, 고내압용 IGBT용 실리콘 기판에 바람직하게 적용할 수 있다. Such a silicon single crystal can reduce the oxygen precipitation nuclei serving as the recombination center of the carrier and can suppress the growth of nuclei thereafter, and can be suitably applied to a silicon substrate for high-voltage IGBTs.

상기 실리콘 단결정은, 상기 고화율이 30%가 되는 시점까지, 상기 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 매우 작은 것이 바람직하다. It is preferable that the silicon single crystal has a very small carbon concentration distribution with respect to the solidification rate until the solidification rate reaches 30%.

이러한 탄소 농도 분포라면, 결정의 직통부 전체 길이에 걸쳐, 탄소 농도가 보다 저감된 것으로 할 수 있다. With such a carbon concentration distribution, the carbon concentration can be further reduced over the entire length of the straight portion of the crystal.

본 발명에서는, 실리콘 단결정 중의 탄소 농도는 광발광(PL)법에 의해 정량되는 것이 바람직하다. In the present invention, the carbon concentration in the silicon single crystal is preferably quantified by a photoluminescence (PL) method.

실리콘 단결정 중의 탄소 농도를 분석하는 방법으로는, FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)법이 주류이지만, FT-IR법에 의한 탄소의 검출 하한은 2.0×1015 atoms/㎤ 정도이며, 본 발명에 따른 실리콘 단결정의 탄소 농도를 정밀하게 평가하는 것은 어렵다. The FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) method is the main method for analyzing the carbon concentration in the silicon single crystal. The lower detection limit of carbon by the FT-IR method is about 2.0 x 10 15 atoms / cm 3, It is difficult to precisely evaluate the carbon concentration of the silicon single crystal.

또한, FT-IR법보다 저농도의 탄소 농도를 평가할 수 있는 방법으로는, 하전 입자 방사화 분석법이 알려져 있지만, 이 방법의 검출 하한은 2.0×1014 atoms/㎤ 정도이며, 이 방법에서도, 본 발명에 따른 실리콘 단결정의 저농도의 탄소 농도를 평가하는 방법으로는 적합하지 않다. Although the charged particle activation analysis method is known as a method capable of evaluating the carbon concentration at a lower concentration than the FT-IR method, the lower limit of detection of this method is about 2.0 x 10 14 atoms / cm 3, Is not suitable as a method for evaluating the low-concentration carbon concentration of the silicon single crystal according to the above-described method.

본 발명에서는, 저탄소 농도의 실리콘 단결정을 얻기 위해, 1.0×1014 atoms/㎤ 이하의 탄소 농도를 정밀하게 정량할 필요가 있기 때문에, 그 평가 방법으로는, 실리콘 단결정 중의 1.0×1013 atoms/㎤ 정도의 극저탄소 농도의 평가 방법으로서 보고되어 있는 PL법을 바람직하게 이용할 수 있다(S. Nakagawa, K. Kashima, M. Tajima, Proceedings of the Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2010 (2010) 326 참조). In the present invention, it is necessary to precisely quantify the carbon concentration of 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less in order to obtain a silicon single crystal having a low carbon concentration. Therefore, as the evaluation method, a silicon single crystal having a concentration of 1.0 × 10 13 atoms / (See, for example, S. Nakagawa, K. Kashima, M. Tajima, Proceedings of the Science and Technology of Silicon Materials 2010 (2010) 326 Reference).

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

[실시예 1][Example 1]

도 1에 나타낸 바와 같은 CZ법에 의한 단결정 인상 장치에 있어서, 직통부 결정 직경 200 mm, 직통부 인상 종료 시점이 결정의 고화율 90%가 되는 실리콘 단결정을 10개 인상했다. In the single crystal pulling-up apparatus according to the CZ method as shown in Fig. 1, 10 silicon single crystals having a diameter of the straight portion of 200 mm and a straightening portion of 90% of the crystal straightening point were lifted.

원료로는, 탄소 농도가 약 5.0×1014 atoms/㎤인 폴리실리콘을 이용했다. As the raw material, polysilicon having a carbon concentration of about 5.0 x 10 14 atoms / cm 3 was used.

인상 조건으로는, 결정 인상중에는 원료 융액에 횡자장을 인가하고, 상기 원료 융액이 충전된 석영 도가니의 회전수를 0.1∼1.0 rpm, 결정 회전수를 15∼25 rpm의 범위 내에서 제어하고, 결정 직통부의 인상 속도는 1.0∼1.3 mm/min으로 했다. 또, 이러한 동작 조건을 고려하여 계산한 실행 편석 계수는 0.082였다. As the pulling conditions, a transverse magnetic field is applied to the raw material melt during the crystal pulling, and the number of revolutions of the quartz crucible filled with the raw material melt is controlled within a range of 0.1 to 1.0 rpm and the number of crystal revolutions is controlled within a range of 15 to 25 rpm, The pulling speed of the straight portion was 1.0 to 1.3 mm / min. The running segregation coefficient calculated in consideration of such operating conditions was 0.082.

또한, 아르곤 가스의 유량 Q를 150 L/min, 노 내 압력 P를 30 Torr, 복사 실드의 개구부 직경 X를 240 mm, 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y를 20 mm로 하고, 원료 융액 표면으로부터 상측 4∼10 mm의 위치에서 식 (1)에 의해 표시되는 유속 A로 아르곤 가스를 흘리고, 적어도 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의 유속 A는 0.2∼20 m/sec의 범위 내가 되도록 제어했다. The flow rate Q of the argon gas was 150 L / min, the pressure in the furnace P was 30 Torr, the opening diameter X of the radiation shield was 240 mm, and the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield was 20 mm. Ar gas is flowed at a flow velocity A indicated by the equation (1) at a position 4 to 10 mm above the surface from the surface, and at least the flow velocity A from the point of time when the solidification rate of the pulled- To 20 m / sec.

또한, 종결정과 상기 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 22%, 사이드 히터의 파워의 저하율을 36%로 했다. The lowering rate of the total power of the side heater and the bottom heater is set to 22% and the lowering rate of the power of the side heater is set to 36% from the time when the solidification rate of the crystal pulled up from the contact between the seed crystal and the raw material melt becomes 30% .

상기에 의해 인상한 결정에 관해, 고화율 1%, 5% 및 10∼90%의 범위에서 10%마다의 각 부위로부터 총 11장의 평가 측정용 샘플을 절취했다. 각 샘플에 관해, 광발광법(photoluminescence method)에 의해 탄소 농도를 측정했다. 이 탄소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 2에 나타낸다. 또, 실효 편석 계수에 기초하는 고화율에 대한 탄소 농도의 변화도 이론 곡선으로서 함께 나타낸다. About the crystals pulled up by the above, 11 samples for evaluation measurement were cut from each of the sites in the range of 1%, 5%, and 10 to 90% in the degree of solidification, every 10%. The carbon concentration of each sample was measured by a photoluminescence method. A graph of the relationship between the carbon concentration and the solidification rate is shown in Fig. The change in carbon concentration with respect to the solidification rate based on the effective segregation coefficient is also shown as a theoretical curve.

인상한 결정 10개 모두, 고화율 5∼30%의 범위에서, 원료 융액으로부터의 CO의 증발에서 기인하는 탄소 농도의 저하 거동이 관측되고, 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 고화율 약 30%에서 매우 작아졌다. 또한, 고화율 90%의 결정 직통부 인상 종료 시점에서의 탄소 농도는 4.1×1013∼5.6×1013 atoms/㎤의 범위 내이며, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하가 되었다. In all of the 10 precipitated crystals, the decrease in carbon concentration due to the evaporation of CO from the raw material melt was observed in the range of 5 to 30% of the solidification rate, and the carbon concentration distribution with respect to the solidification rate was about 30% Very small. The carbon concentration at the end of the crystal straight portion pulling up at a solidification rate of 90% is in the range of 4.1 × 10 13 to 5.6 × 10 13 atoms / cm 3, and the carbon concentration is 1.0 × 10 14 atoms / Cm < 3 >.

또한, 탄소 농도의 측정과 동일 개소에서, 산소 농도를 FT-IR법에 의해 측정했다. 이 산소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 4에 나타낸다. In addition, the oxygen concentration was measured by the FT-IR method at the same place as the measurement of the carbon concentration. A graph of the relationship between the oxygen concentration and the solidification rate is shown in Fig.

산소 농도는 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 4.4×1017∼5.0×1017 atoms/㎤의 범위 내였다. The oxygen concentration was in the range of 4.4 × 10 17 to 5.0 × 10 17 atoms / cm 3 over the entire length of the crystal straight portion.

[실시예 2][Example 2]

원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y를 40 mm로 하고, 아르곤 가스의 유량 Q를 80 L/min, 노 내 압력 P를 50 Torr, 복사 실드의 개구부 직경 X를 250 mm로 하고, 원료 융액 표면으로부터 상측 8∼20 mm의 위치에서, 적어도 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의 아르곤 가스의 유속 A를 0.2∼25 m/sec로 하고, 또한, 종결정과 상기 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 9%, 사이드 히터의 파워의 저하율을 13%로 하고, 그것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 단결정을 10개 인상하고, 탄소 농도를 측정했다. 이 탄소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 3에 나타낸다. 또, 실효 편석 계수에 기초하는 고화율에 대한 탄소 농도의 변화도 이론 곡선으로서 함께 나타낸다. The distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiation shield was 40 mm, the flow rate Q of the argon gas was 80 L / min, the pressure in the furnace P was 50 Torr, and the diameter X of the opening of the radiation shield was 250 mm, The flow velocity A of the argon gas from 0.2 to 25 m / sec from the surface to the point of time when the solidification rate of the pulled-up crystal is 30% at least from the start of melting of the raw material is set to 0.2 to 25 m / sec, The rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater to 9% and the rate of decrease of the power of the side heater to 13% from the time when the solidification rate of the pulled-up crystal from the contact with the raw material melt becomes 30% , 10 silicon single crystals were pulled up in the same manner as in Example 1, and the carbon concentration was measured. A graph of the relationship between the carbon concentration and the solidification rate is shown in Fig. The change in carbon concentration with respect to the solidification rate based on the effective segregation coefficient is also shown as a theoretical curve.

인상한 결정 10개 모두, 고화율 5∼30%의 범위에서, 원료 융액으로부터의 CO의 증발에서 기인하는 탄소 농도의 저하 거동이 관측되고, 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 고화율 약 30%에서 매우 작아졌다. 또한, 고화율 90%의 결정 직통부 인상 종료 시점에서의 탄소 농도는 7.1×1013∼9.6×1013 atoms/㎤의 범위 내이며, 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하가 되었다. In all of the 10 precipitated crystals, the decrease in carbon concentration due to the evaporation of CO from the raw material melt was observed in the range of 5 to 30% of the solidification rate, and the carbon concentration distribution with respect to the solidification rate was about 30% Very small. The carbon concentration at the end of the crystal straight portion pulling up at a solidification rate of 90% is in the range of 7.1 × 10 13 to 9.6 × 10 13 atoms / cm 3, and the carbon concentration is 1.0 × 10 14 atoms / Cm < 3 >.

또한, 탄소 농도의 측정과 동일 개소에서, 산소 농도를 FT-IR법에 의해 측정했다. 이 산소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 4에 나타낸다. In addition, the oxygen concentration was measured by the FT-IR method at the same place as the measurement of the carbon concentration. A graph of the relationship between the oxygen concentration and the solidification rate is shown in Fig.

산소 농도는 결정 직통부 전체 길이에 걸쳐 2.2×1017∼4.0×1017 atoms/㎤의 범위 내였다. The oxygen concentration was in the range of 2.2 × 10 17 to 4.0 × 10 17 atoms / cm 3 over the entire length of the crystal straight portion.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 1에 있어서, 원료 융액 표면으로부터 상측 4∼10 mm의 위치에서, 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의 유속 A를 0.2 m/sec 미만으로 하여 아르곤 가스를 흘리고, 그것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 단결정을 10개 인상하고, 탄소 농도를 측정했다. 이 탄소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 5에 나타낸다. 또, 비교를 위해 실시예 1의 측정치도 함께 나타냈다. In Example 1, the flow velocity A from the surface of the raw material melt to the point of time when the solidification rate of the pulled-up crystal was 30% at the position of 4 to 10 mm from the top of the raw material melt was set to less than 0.2 m / sec, 10 silicon single crystals were pulled up in the same manner as in Example 1 except for this, and the carbon concentration was measured. A graph of the relationship between the carbon concentration and the solidification rate is shown in Fig. For comparison, the measurement values of Example 1 were also shown.

이들 결정의 탄소 농도는, 결정 직통부가 인상 개시 당초부터 1.0×1014 atoms/㎤를 상회해, 인상이 진행되더라도, 원료 융액으로부터의 CO의 증발에서 기인하는 탄소 농도의 저하 거동은 보이지 않고, 실효 편석 계수의 이론 곡선보다 항상 높은 값으로 추이했다. 이것은, 원료 용융시 및 결정 인상시의 가스 유속이 매우 약한 것에 의해, CO가 융액에 항상 혼입되었기 때문이라고 생각된다. The carbon concentration of these crystals is higher than 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 from the beginning of the pulling start of the crystal, and even if the pulling progresses, the decrease in carbon concentration due to evaporation of CO from the raw melt is not observed, Which is always higher than the theoretical curve of the segregation coefficient. This is presumably because the gas flow rate at the time of melting the raw material and during the pulling-up of the crystal was very weak, so that CO was always mixed into the melt.

[비교예 2][Comparative Example 2]

실시예 1에 있어서, 원료 융액 표면으로부터 상측 4∼10 mm의 위치에서, 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의 유속 A를 25 m/sec 초과로 하여 아르곤 가스를 흘리고, 그것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 단결정을 10개 인상했지만, 인상중의 액면 진동이 매우 커져, 모두 고화율 50% 이하의 시점에서 결정 변형이 생겨, 무전위 결정을 육성할 수는 없었다. The flow velocity A from the surface of the raw material melt to the point of time when the solidification rate of the pulled-up crystal was 30% at the position of 4 to 10 mm from the surface of the raw material melt was set to exceed 25 m / sec, 10 silicon single crystals were raised in the same manner as in Example 1 except for this, however, liquid surface vibrations during pulling were very large, and crystal deformation occurred at a time when the degree of solidification was 50% or less, There was no number.

[비교예 3][Comparative Example 3]

실시예 1에 있어서, 종결정과 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 3% 미만, 사이드 히터의 파워의 저하율을 5% 미만으로 하고, 그것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 단결정을 10개 인상하고, 탄소 농도를 측정했다. 이 탄소 농도와 고화율의 관계의 그래프를 도 6에 나타낸다. 또, 비교를 위해 실시예 1의 측정치도 함께 나타냈다. The rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater from the time of contact between the seed crystal and the raw material melt to the point at which the degree of solidification of the pulled-up crystal becomes 30% is less than 3%, the power of the side heater 10 silicon single crystals were lifted in the same manner as in Example 1 except that the rate of decrease was less than 5%, and the carbon concentration was measured. A graph of the relationship between the carbon concentration and the solidification rate is shown in Fig. For comparison, the measurement values of Example 1 were also shown.

이들 결정의 탄소 농도는, 결정 직통부의 인상 개시 당초는, 실시예 1의 결정과 동등했지만, 고화율 90%의 결정 직통부 인상 종료 시점까지 증발 거동은 보이지 않고, 고화율 60% 부근에서 1.0×1014 atoms/㎤를 상회했다. 이것은, 종결정과 원료 융액의 접촉시부터 고화율 30%까지의 사이에 사이드 히터의 출력을 거의 저하시키지 않은 것에 의해, 결정 육성중의 원료 융액에서의 CO의 증발 속도가 혼입 속도보다 우세해지지 않았기 때문으로 추측된다. The carbon concentration of these crystals was the same as that of Example 1 at the beginning of the pulling up of the crystal straight portion but the evaporation behavior was not observed until the end of the crystal straight portion pulling up at a solidification rate of 90% Lt; 14 > atoms / cm < 3 >. This is because the output of the side heater is hardly lowered during the period from the contact between the seed crystal and the raw material melt to the solidification rate of 30% so that the evaporation rate of CO in the raw material melt during crystal growth is not higher than the mixing rate .

[비교예 4][Comparative Example 4]

실시예 1에 있어서, 종결정과 원료 융액의 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 30% 초과, 사이드 히터의 파워의 저하율을 45% 초과로 하고, 그것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실리콘 단결정을 10개 인상했지만, 모두 고화율 30% 부근의 시점에서 결정 변형이 생겨, 무전위 결정을 육성할 수는 없었다. The rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater from the time when the seed crystal was brought into contact with the raw material melt until the solidification rate of the pulled-up crystal became 30% was more than 30%, the power of the side heater The silicon single crystal was increased by 10 in the same manner as in Example 1 except that the rate of decrease was 45% or more. However, crystal deformation occurred at a time when the degree of solidification was close to 30%, and no electroless crystal could not be grown.

Claims (6)

초크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 인상에 있어서,
탄소 농도가 1.0×1015 atoms/㎤ 이하인 폴리실리콘을 원료로 하고, 원료 융액에 횡자장을 인가하고, 상기 원료 융액이 충전된 석영 도가니의 회전수를 5.0 rpm 이하로 하고, 상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y의 20∼50%의 범위 내의 위치에서 하기 식 (1)에 의해 표시되는 유속 A[m/sec]로 불활성 가스를 흘리고,
[식 1]
Figure 112015100225718-pat00002

Q : 불활성 가스의 유량[L/min]
P : 노 내 압력[Torr]
X : 복사 실드의 개구부 직경[mm]
Y : 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리[mm]
α : 보정 계수
인상된 결정의 직통부 직경을 d[mm]로 했을 때, 적어도 상기 원료 용융 개시시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지는, 유속 A를 0.2∼5000/d[m/sec]의 범위 내로 하고,
또한, 종결정과 상기 원료 융액의 접촉시를 기준으로, 상기 접촉시부터 인상된 결정의 고화율이 30%가 되는 시점까지의, 사이드 히터와 보텀 히터의 합계 파워의 저하율을 3∼30%의 범위 내, 사이드 히터의 파워의 저하율을 5∼45%의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법. In the silicon single crystal pulling up by the Czochralski method,
Wherein a polysilicon having a carbon concentration of 1.0 x 10 15 atoms / cm 3 or less is used as a raw material, a transverse magnetic field is applied to the raw material melt, the number of revolutions of the quartz crucible filled with the raw material melt is 5.0 rpm or less, An inert gas is caused to flow at a flow rate A [m / sec] expressed by the following equation (1) at a position within a range of 20 to 50% of the distance Y to the lower end of the radiation shield,
[Formula 1]
Figure 112015100225718-pat00002

Q: Flow rate of inert gas [L / min]
P: Pressure in furnace [Torr]
X: Diameter of opening of radiation shield [mm]
Y: distance from the surface of the raw material melt to the bottom of the radiation shield [mm]
α: correction coefficient
The flow velocity A is 0.2 to 5000 / d [m / sec] from the point of time when the solidification rate of the pulled-up crystal is 30% Within the range of < RTI ID =
The rate of decrease of the total power of the side heater and the bottom heater from the time of contact to the raw material melt to the point at which the rate of solidification of the pulled-up crystal becomes 30% is 3 to 30% Wherein the rate of decrease of the power of the side heater is within a range of 5 to 45%. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스의 유량 Q가 50∼200 L/min, 상기 노 내 압력 P가 5∼100 Torr, 상기 복사 실드의 개구부 직경 X가 d+20∼d+50[mm], 상기 원료 융액 표면으로부터 복사 실드 하단까지의 거리 Y가 10∼40 mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법. The method according to claim 1, wherein the flow rate Q of the inert gas is 50 to 200 L / min, the pressure P in the furnace is 5 to 100 Torr, the diameter X of the opening of the radiation shield is d + 20 to d + 50 [mm] And the distance Y from the surface of the raw material melt to the lower end of the radiating shield is 10 to 40 mm. 제1항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어진 실리콘 단결정으로서, 적어도 인상된 결정의 고화율이 90%까지의 결정 직통부에서의 탄소 농도가 1.0×1014 atoms/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정. A silicon single crystal obtained by the manufacturing method according to claim 1, wherein the carbon concentration in the crystal straight portion at least up to 90% of the crystal of the pulled-up crystal is 1.0 x 10 14 atoms / cm 3 or less. 제3항에 있어서, 산소 농도가 1.0×1018 atoms/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정. The silicon single crystal according to claim 3, wherein the oxygen concentration is 1.0 x 10 18 atoms / cm 3 or less. 제3항에 있어서, 상기 고화율이 30%가 되는 시점까지, 상기 고화율에 대한 탄소 농도 분포가 감소하는 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정. [4] The silicon single crystal according to claim 3, wherein the carbon concentration distribution for the solidification rate decreases until the solidification rate becomes 30%. 제3항에 있어서, 상기 탄소 농도는 광발광법(photoluminescence method)에 의해 정량된 것인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정. The silicon single crystal according to claim 3, wherein the carbon concentration is quantified by a photoluminescence method.
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